陽毅平臺灣大學：機械工程學研究所劉兆偉Liu, Zhao-WeiZhao-WeiLiu2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61073本篇論文目的主要是利用頻譜分析儀對100W質子交換膜燃料電池系統作SISO的系統識別 (分別是air-pump 對輸出電壓與輸出電流) ，將燃料電池假設為定參數且線性變化之模型，並基於此鑑別出之數學模型做進一步的適應控制器設計。 燃料電池系統本身為一雙輸入雙輸出之系統，故本文將其分解成四個單輸入單輸出之系統，並藉由適應控制原理對其做個別的SISO控制：(1)空氣對輸出電壓、（2）空氣對輸出電流、（3）氫氣對輸出電壓、（4）氫氣對輸出電流。以達到預期所想要的目標。 在達成此SISO控制之後，進一步考慮到氫氣的使用量問題。針對電磁閥的開關特性，利用適應控制法則同時控制電磁閥與空氣泵，做兩個輸入一個輸出的控制 (輸出電壓)，藉此達到輸出電壓之穩定與節省氫氣使用量的功能。The purpose of this thesis is mainly to make identification for SISO of 100W PEM fuel cell system with Dynamic Signal Analyzer (respectively air to output voltage and output current, respectively). The fuel cell system parameters are assumed stationary and the variation of fuel cell is regarded linear. The identified transfer functions are obtained on which the controller design is based. Fuel cell is a multi-input and multi-output system. This article decomposed the system into four processes, and designed controllers with adaptive control theory, respectively: (1) air to output voltage (2) air flow to output current (3) hydrogen flow to output voltage (4) hydrogen flow to output current. After fulfilling those goals mentioned above, there is another problem about hydrogen utility rate waiting to be solved. We employ adaptive control law to control solenoid valve and air-pump simultaneously to control output voltage. Further, the goal is to reach the function of stabilizing output voltage and save the hydrogen utility rate.目錄 誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 圖表目錄 VIII 術語表 XVII 符號 XVIII 註解 XIX 縮寫 XX 1 緒論 1 1-1 背景 1 1-2 燃料電池的歷史和未來 1 1-3 燃料電池的種類 2 1-4 文獻回顧 6 1-4-1 燃料電池系統的模型 6 1-4-2 燃料電池的系統識別 9 1-4-3 燃料電池的控制 10 1-5 研究動機與目的 14 1-6 章節摘要 15 2 質子交換膜燃料電池特性 17 2-1 質子交換膜燃料電池的結構跟工作原理 17 2-1-1 質子交換膜燃料電池的架構 17 2-1-2 質子交換膜燃料電池的原理 19 2-2 開路電壓 (Open Circuit Voltage，OCV) 20 2-3 極化曲線與不可逆性 21 2-4 質子交換膜燃料電池的數學模型 24 2-4-1 概要 24 2-4-2 基本假設 25 2-4-3 氣體流道與氣體擴散的支配方程式 25 2-4-4 觸媒層的管理方程式 27 2-4-5 質子交換膜的支配方程式 29 2-4-6 燃料電池電壓 30 2-4-7 燃料電池的動態方塊圖 31 3 燃料電池的系統識別 33 3-1 燃料電池與系統識別的關連性 33 3-2 燃料電池的控制觀點 33 3-3 系統識別的原理 35 3-3-1 系統識別的定義 35 3-4 實驗設備 37 3-5 燃料電池的系統識別 42 3-6 系統識別結果與分析 43 3-6-1 實驗環境 43 3-6-2 實驗目的 43 3-7 空氣幫浦電壓對電池電流的識別（圖 3-8） 44 3-7-1 實驗結果(空氣幫浦電壓對電池電流): 46 3-7-2 曲線擬合結果(Curve fitting)： 49 3-8 空氣幫浦電壓對電池電壓的識別（圖 3-9） 56 3-8-1 實驗結果（空氣幫浦對電池電壓）： 58 3-8-2 曲線擬合結果： 60 3-9 電磁閥電壓對電池電流的識別(圖3-10)： 66 3-9-1 實驗結果（電磁閥電壓對電池電流） 68 3-10 電磁閥電壓對電池電壓的識別（圖3-11） 71 3-10-1 遞迴最小平方估測法(RLS)的結果 74 4 最佳曲線和改善 75 4-1 最佳曲線 [26] 75 4-2 間隙度量(gap metric) 75 4-3 空氣幫浦對電池電流的最佳曲線( ) 75 4-4 空氣幫浦對電池電壓的最佳曲線( ) 79 4-5 電磁閥電壓對電池電流的最佳曲線( ) 81 4-6 電磁閥電壓對電池電壓的最佳曲線( ) 82 4-7 加入延遲項後的改善( ) 83 4-7-1 改善原理 84 5 適應控制的介紹與設計 89 5-1 適應控制的目的 89 5-2 燃料電池的控制 90 5-3 ©應控制 93 5-3-1 迴歸最小平方估測法（Recursive least-squares estimation，RLS） 94 5-3-2 適應控制的方法 99 5-4 實驗流程 106 5-4-1 實驗設計的控制 106 5-4-2 實驗設備與操作條件 107 6 實驗結果與討論 110 6-1 燃料電池控制器實現的實驗結果 110 6-2 以空氣流率調整電池電壓的控制結果（適應控制理論） 111 6-3 以空氣流率調整電池電流的控制結果（適應控制理論） 121 6-4 以氫氣流率調整電池電壓的控制結果（適應控制理論） 131 6-5 以氫氣流率調整電池電流的控制結果（適應控制理論） 142 6-6 多重輸入單一輸出的控制(Multi-Input Single-Output) 147 6-7 固定參數的控制 164 7 結論與未來展望 173 7-1 結論 173 7-2 未來展望 174 參考文獻 175 附錄 1804919483 bytesapplication/pdfen-US燃料電池適應控制系統識別曲線擬合fuel celladaptive controlidentificationcurve fittingthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61073/1/ntu-96-R94522811-1.pdf